簡易機器人常用輸出元件【區(qū)一等獎】

簡易機器人常用輸出元件學習導(dǎo)航1.簡易機器人上常用的輸出元件有幾種？它們與控制器是怎樣連接的？2.如何根據(jù)需要選擇合適的輸出元件？現(xiàn)象與問題電燈給我們帶來了光明；電視帶來了五彩繽紛的視覺享受；微波爐送來了可口的佳肴。電燈、電視、微波爐都是電能轉(zhuǎn)換設(shè)備，輸入是電能，輸出是光、圖像、聲音和熱。討論1.你還能舉出利用電能的設(shè)備或工具嗎？2.你能說出上述設(shè)備的工作原理嗎？一、發(fā)光二極管發(fā)光二極管(LED)是很常用的顯示器件，手機的信號顯示燈PC機硬盤及光驅(qū)的指示燈等都是例子。簡易機器人控制電路板上有若干個發(fā)光二極管，用來顯示各種工作狀態(tài)。二極管是一種半導(dǎo)體器件，根據(jù)施加電壓的極性，產(chǎn)生導(dǎo)通和不導(dǎo)通兩種效果。二極管由N型半導(dǎo)體（半導(dǎo)體中的電子攜帶電荷流動）和P型半導(dǎo)體（電子遷移所?？昭〝y帶電荷流動）結(jié)合而成，結(jié)合面被稱為PN結(jié)。LED是二極管的一種，其原理是在PN結(jié)讓電子與空穴再次結(jié)合，此時產(chǎn)生的能量以發(fā)光的形式釋放出來。并非所有的二極管都會發(fā)光，只有含有鉀-砷、銦、磷等材料的半導(dǎo)體能夠發(fā)光，而含有硅、鍺等材料的半導(dǎo)體并不會發(fā)光。圖3.34為LED的外形及符號。為了限制LED中電流的大小，LED一般要與電阻串聯(lián)使用，如圖3.35所示。這種LED電路可以直接與單片機連接，如圖3.36所示。二、蜂鳴器簡易機器人使用蜂鳴器發(fā)出聲音。對發(fā)聲器件進行編程，我們就可以憑聲音來判斷機器人工作是否正常，有時聽聲音比看LED發(fā)光更方便。壓電蜂鳴器是由壓電陶瓷發(fā)聲元件和振蕩電路組成的電聲元件。圖3.38(a)表示壓電陶瓷蜂鳴器的構(gòu)造，它是一個呈圓形的振動片由壓電陶瓷片和金屬片粘貼而成，經(jīng)振蕩電路激勵后，產(chǎn)生共振發(fā)出清晰的聲音。圖3.39是壓電蜂鳴器的驅(qū)動電路。給這個電路的控制輸入端輸入脈沖信號，壓電蜂鳴器發(fā)聲，否則不發(fā)聲。三、電磁繼電器平時與我們?yōu)榘榈碾娮油婢?、手機等都靠電池供電，電壓不超過36V。按國家電氣標準，低于36V才是安全電壓，允許人對該電壓值以下的電氣設(shè)備直接操作。我們知道，民用電網(wǎng)都是交流220V或380V，這么高的電壓很危險，絕對禁止直接接觸那么，如果我們想用低壓電氣元件來控制高電壓的通斷，用什么方法呢？這就涉及繼電器的使用。圖3.40是幾種繼電器的外形。

繼電器是當輸入量（或激勵量）滿足規(guī)定條件時，能在一個或多個電器輸出電路中產(chǎn)生躍變的一種器件。簡單理解就是用一種電源控制另一種電源通斷的器件。繼電器的種類很多，可以按工作原理、結(jié)構(gòu)特征、負載大小、防護特征等分類，常見的有電磁繼電器、固態(tài)繼電器、晶體管繼電器、溫度繼電器、時間繼電器等。本節(jié)以電磁繼電器為例講解繼電器的原理。電磁繼電器的構(gòu)造如圖3.41所示。讓電流通過線圈，銜鐵便在電磁力作用下與接點b脫開與接點a接觸，于是c與a導(dǎo)通：若線圈中電流中止，在彈簧作用下，銜鐵與接點a斷開，與b恢復(fù)接觸，結(jié)果c點與b點導(dǎo)通。圖3.42是單片機與上述電磁繼電器的連接原理，由于單片機的I/O引腳無法直接驅(qū)動繼電器線圈，所以增加了一個三極管進行驅(qū)動。本教材機器人活動所使用的繼電器是圖3.6中所示的雙刀雙擲式電磁繼電器，并用于控制電機的轉(zhuǎn)向。為方便使用，電機的啟停和方向控制電路都被集成在一個繼電器模塊中。四、電機

電機（本書指電動機）在第一章就介紹過，機器人的機械結(jié)構(gòu)相當于人的四肢，用來行走、操作等。驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)動作的裝置叫驅(qū)動裝置。簡易機器人的驅(qū)動裝置絕大多數(shù)由電機擔當。日常生活中可以見到各種各樣的電機，如電動玩具使用的直流電機，空調(diào)、洗衣機里的交流電機，打印機里的步進電機，等等。在簡易機器人制作中，一般使用直流電機，有時也使用步進電機，航模制作中常用的舵機也屬于直流電機。圖3.45是幾種型號的直流電機。1.直流電機的結(jié)構(gòu)直流電機的結(jié)構(gòu)型式很多，但基本的構(gòu)成是相同的，即必須有定子、轉(zhuǎn)子和換向裝置，如圖3.46所示。定子是固定在機座的圓桶狀部分，一般由永磁材料或能產(chǎn)生磁場的線圈構(gòu)成，小功率電機通常使用永磁材料。轉(zhuǎn)子由一根旋轉(zhuǎn)軸及固定其上的硅鋼片構(gòu)成，轉(zhuǎn)子外緣帶槽，槽內(nèi)有電樞繞組，電流通過繞組，轉(zhuǎn)子便開始旋轉(zhuǎn)。為了使電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸尾部設(shè)有換向器，它與電刷始終保持接觸，能給繞組連續(xù)供電。換向器和電刷相互之間屬于機械接觸，因此電機高速旋轉(zhuǎn)時會有電氣噪聲產(chǎn)生，此時如果在電機兩端并聯(lián)一個電容，可抑制噪聲，減弱對控制電路的干擾。2.直流電機的驅(qū)動我們知道，簡單地將直流電機與電池連接就可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。不過簡易機器人需要對電機進行開關(guān)、方向和速度的控制，這就涉及電機的驅(qū)動和調(diào)速問題。圖3.47是一種廣泛使用的電機方向控制電路，用4個開關(guān)來控制在電機上的電壓極性，從而達到控制電機轉(zhuǎn)動方向的目的。圖3.47的4個開關(guān)中，如果讓對角線上的兩個開關(guān)閉合，另一對斷開，電機就可以實現(xiàn)正轉(zhuǎn)；反之，原對角線上閉合的開關(guān)斷開，斷開的開頭閉合，則電機反轉(zhuǎn)。圖3.47中的虛線代表了電流的方向。電機速度的調(diào)節(jié)可以靠改變電機兩端的電壓來實現(xiàn)。

脈寬調(diào)制(PWM)就是目前廣泛使用的電機調(diào)速方法，其原理（圖3.48）是向功放管的基極輸入一定頻率的高速脈沖（圖3.49），對應(yīng)于該基極開關(guān)脈沖，電機兩端的電壓也呈現(xiàn)脈沖信號，由于輸入脈沖寬度的比例（占空比），即ON和OFF之比是可改變的，于是電機兩端的平均電壓得到調(diào)節(jié)。雖然在ON時間段內(nèi)施加電壓，在OFF時間段內(nèi)切斷電壓，但是電機中的電流并不會間斷，因為OFF的時間間隔很短，電機繞組中的能量